搜索雷達視頻模擬器的雜波和噪聲仿真技術

楊 輝，王 鵬，郭微波

（1.中國船舶重工集團公司江蘇自動化研究所，江蘇 連云港 222006；2.中國船舶重工集團公司第602研究所，北京 100076；3.北方自動控制技術研究所，山西 太原 030006）

雷達作戰效能試驗是武器系統研制和定型的重要環節。對于雷達在特定條件下的作戰效能評估試驗，必須具備逼真的配試目標、接近實際戰場的工作環境、相當的有源干擾信號。對于逼真的目標和相當的有源干擾信號，采用外場試驗校飛和電子戰干擾系統相配合的方法，可以得到較好的效果。但由于外場試驗組織協調難度高、消耗財力、物力和人力也相當大，因此，在實驗室條件下進行雷達作戰效能評估試驗就成為一種重要的替代手段，這種方法需要仿真設備具有模擬實際目標和有源干擾信號的功能，此外還必須具有模擬實際雜波干擾及無源干擾信號的功能【1】。

本文介紹在一種在搜索雷達視頻模擬器上以FPGA為核心進行雜波仿真，以模擬電路實現噪聲仿真的技術，來實現對真實環境中雜波及無源干擾信號的模擬，以提高搜索雷達視頻模擬信號的逼真度。

1 雜波和噪聲仿真原理 [2]

雷達主要工作原理是由雷達發射機產生的電磁能，經收發開關傳輸給天線，由天線將此電磁能定向輻射于大氣中。電磁能在大氣中以光速（約3×108m/s）傳播，如目標恰好位于定向天線的波束內，則它將要截取一部分電磁能。目標將被截取的電磁能向各個方向散射，其中部分散射的能量朝向雷達接收方向。雷達天線收集到這部分散射的電磁波后，就經傳輸線和收發開關饋給接收機。接收機將這微弱信號放大并經信號處理后即可獲取目標的信息，并將結果送至終端顯示。

對于脈沖雷達，發射機經天線向空間發射一串周期一定的重復高頻脈沖。如果在電磁波傳播的途徑上有目標存在，那么雷達就可以接收到由目標反射回來的回波。由于回波信號往返于雷達與目標之間，它將滯后于距掃脈沖一個時間tr，而電磁波的能量是以光速傳播的，設目標的距離為R，則傳播的距離等于光速乘上時間間隔，即

或

式中，R為目標到雷達站的單程距離，單位為m；tr為電磁波往返于目標與雷達之間的時間間隔，單位為s；c為光速，即

回波脈沖滯后于發射脈沖為一個微秒時，所對應的目標斜距離R=150m。

搜索雷達視頻模擬器的回波仿真就是將搜索雷達的距掃脈沖延遲一個時間tr來產生模擬目標的回波信號并送給雷達，在模擬環境下驅動雷達工作。模擬目標的距離由延遲時間tr來確定，模擬目標的方位由搜索雷達的正北脈沖和方位增量脈沖通過計算得到。

1.1 雜波仿真原理[3]

搜索雷達視頻模擬器由PC機和視頻信號發生器兩部分組成，組成如圖1所示。PC機負責雷達參數、目標信息和航跡數據的計算和生成，根據不同工作狀態進行仿真運算，將運算得到的目標航跡和狀態數據通過PCI總線送給視頻信號發生器。

圖1 搜索雷達視頻模擬器組成框圖

雜波仿真原理同目標回波仿真原理相同，區別在于數據源不同。目標回波是由主機產生目標航跡數據并送給FPGA，由FPGA來實現回波信號的產生；雜波回波的數據源不能是有規律的航跡數據，而應是一種隨機的、雜亂無章的數據。通常采用產生隨機數的方法實現。隨機數的產生可以由主機用軟件實現，也可以用純硬件方式實現。由于雜波數量較大，一般有幾百批，為了減輕數據傳輸對主機的壓力，在本文設計中采用純硬件方式實現，即用FPGA來產生隨機數。

隨機數產生方法主要有均勻分布的隨機數法、正態分布的隨機數法等[5]。下面是兩種方法的數學模型。

a） 均勻分布隨機數的數學模型

由給定的初值x0，用混合同余法：

產生(0，1)區間上的隨機數yi。其中a＝2045，c＝1，M＝220；然后通過變換

yi產生(a，b)區間上的隨機數zi。

b） 正態分布隨機數的數學模型

設r1,r2,…,rn為（0，1）上n個相互獨立的均勻分布的隨機數，由于，根據中心極限定理可知，當n充分大時

的分布近似于正態分布N(0,1)。通常取n=12，此時有

最后，再通過變換

便可得到均值為μ、方差為σ2的正態分布隨機數y。

本設計采用正態分布隨機數法，在 FPGA內用VHDL語言實現均勻分布的隨機數的數學模型，產生的模塊如圖2所示。clr為清零信號，kz是控制信號，sjs[15..0]是產生的以16位二進制數據表示的隨機數，當清零信號 clr有效時對產生均勻分布的隨機數的種子賦初值，當控制信號kz有效時就通過搭建好的數學模型產生均勻分布的隨機數由sjs[15..0]輸出。一個控制信號kz產生幾個隨機數是根據需要可控的。

圖2 均勻分布的隨機數模塊

該模塊VHDL源程序主要部分如下：

1.2 噪聲仿真原理

信號在介質中傳播是以微小電流的形式傳播的，而電流的傳播又會導致周圍磁場的改變。由磁場效應可知，改變的磁場會對附近的電流產生影響，這就是噪聲干擾。

數字信號的電路是工作在“開關”狀態下，輸入輸出的信號只有高、低電平2種狀態，因此，外部輸入的噪聲干擾一般情況下不會影響數字電路的正常工作。但數字電路往往有許多元件組成，如晶體管、電容器、電阻、變壓器等等，在工作時受溫度的影響，會使輸出的信號電平發生小幅度無規則的變化，形成噪聲。外界的干擾也是產生噪聲的重要因素，如附件有電焊機、強磁場、雷電等，都會引起信號的電平發生異常變化，形成噪聲。

目前產生噪聲方法有直接產生和間接產生兩種。直接產生是使用市面上銷售的商用噪聲發生器來產生所需噪聲，這些產品具有良好的噪聲性能及適用不同需要的技術特性，并配有現代化的自動測試設備，例如噪聲源HP346A及測試儀HP8970B，但價格昂貴，配置常規工程性價比較低，最常用的噪聲發生器有熱噪聲發生器、限溫二極管噪聲發生器和氣體放電管噪聲發生器三種。間接產生是用數字化方法產生偽隨機序列（偽噪聲），通過D/A轉化為白噪聲信號，但這并不是真正意義上的隨機序列，它的頻域特性難以達到較高要求。

本文設計采用直接產生噪聲的方法，用限溫二極管噪聲發生器來產生噪聲。

2 雜波仿真的實現方案

2.1 雜波仿真的硬件環境 [1]

要實現幾百批雜波的仿真，同時還要對128批32位目標數據進行運算和處理，計算量大，要求速度高，所以 FPGA選用 Altera公司的 Cyclone II系列EP2C35F672芯片，以滿足設計的需要。該芯片具有33216個邏輯單元，內部RAM高達484KB，支持Nios II嵌入式處理器，核電壓1.2V，IO電壓3.3V，具有4個PLL輸入，12個PLL輸出。

2.2 雜波仿真的具體實現

根據搜索雷達實際探測雜波的情況，本設計對三類雜波進行模擬：虛警目標產生的點狀雜波、海中島嶼等遮蔽物產生的小塊狀雜波和岸上山峰等大的遮蔽物產生的大塊狀雜波。

2.2.1 點狀雜波

對虛警目標產生的點狀雜波的仿真采用均勻分布的方式，由于是均勻分布的，雜波的方位在360度范圍內沒有限制，具體實現時雜波的方位不用控制，只要對產生雜波的頻率進行控制。如圖3所示，用jsnc6這個模塊來控制點狀雜波產生的頻率，jsnc6內部源程序主要部分如下：

其中，變量dddd是用來控制頻率的，雜波的距離值由隨機數產生模塊sjsjl來產生，產生的距離值送入hbzb模塊的寄存器中，觸發脈沖信號有效邊沿之后固定時鐘數（距離值）輸出固定的數字信號（hb信號）。sjsjl模塊產生隨機數的區間范圍(a，b)設定為雜波產生的距離范圍，一般情況下 a設為搜索雷達的盲區，b設為搜索雷達的視距，便可在搜索雷達的可視范圍內產生均勻分布的雜波。

圖3 點狀雜波的產生電路

2.2.2 小塊狀雜波

小塊雜波是呈塊狀的，所以小塊雜波應該是在一段連續的角度范圍內產生連續的雜波，具體實現如圖4所示。由方位隨機數產生模塊sjsfw產生一個隨機的方位數據（sjsfw模塊產生隨機數的區間范圍(a，b)設定為0～360°），作為小塊雜波的方位起始點，從這個起始點開始，再加上一個固定的角度，就形成了一個連續的角度范圍，在這個角度范圍內的每個觸發周期內都要產生相應距離的雜波。雜波距離的產生與方位的產生類似，先由 sjsji31模塊產生一個距離隨機數（sjsji31模塊產生隨機數的區間范圍(a，b)設定為雷達的盲區到雷達的視距），作為小塊雜波的距離起始點，從這個起始點開始加上一個固定的距離，就形成了一個連續的距離范圍，在這個距離范圍內連續產生雜波，仿真波形如圖5所示。

2.2.3 大塊狀雜波

大塊雜波的產生同小塊雜波的產生方法相同，產生電路如圖5所示，本設計中將大塊雜波產生的方位和距離設計成可以從人機界面裝訂，需要4個變量，方位的起點和終點，距離的起點和終點，這4個變量從界面裝訂好后通過 PCI總線送到 FPGA的 4個modifyzb鎖存器中，在指定的角度范圍和距離范圍內的每個時鐘信號都要輸出相應的雜波信號，雜波信號的產生由zabhb模塊實現。

3 噪聲仿真的實現方案

噪聲模擬電路主要由噪聲產生器、放大器、濾波器、信噪合成器、信號輸入調節器和控制接口等電路組成。

由于該部分電路為模擬電路，設計時需注意各級間的匹配，尤其是信噪合成器兩輸入端，以保證較高的輸出精度。

其中，放大器的作用是對輸出的噪聲電平作定量增益調整。信噪合成器電路的作用是將FPGA產生的回波和雜波信號與濾波輸出的限帶噪聲作線性疊加，合成滿足設計需求的綜合信號。

切換電路可通過FPGA中程序控制來實現噪聲的通/斷控制。

圖4 小塊雜波產生電路

圖5 仿真波形

圖6 大塊雜波產生電路

圖7 噪聲模擬電路

4 結束語

本文描述的雜波和噪聲仿真技術已經在某搜索雷達視頻模擬器中得到實際應用。該搜索雷達視頻模擬器同時具有回波仿真及雜波和噪聲仿真功能。在某型艦炮武器系統的半實物仿真試驗中，該搜索雷達視頻模擬器為試驗提供了高逼真度的仿真效果。試驗證明，本文中闡述的雜波和噪聲仿真技術可行性高、實用性強，為雷達提供了一個逼真的仿真環境，能較為真實地檢測雷達的性能。

[1]Cyclone II Device Handbook Volume 1[DB/OL].http://www.altera.com.[2007-2]

[2]丁鷺飛,耿富錄.雷達原理[M].西安:西安電子科技大學出版社,2002.

[3]楊輝,余云智.基于 PCI總線的搜索雷達視頻模擬器設計技術[J].指揮控制與仿真,2006（2）:83-86.

[4]韋建中,師鵬宇.一種雷達視頻信號模擬器的設計與實現[J].艦船電子對抗,2009（3）:69-71.

[5]周憲英,傅士敏,喬風蘭.一種雷達視頻信號模擬器的設計[J].電子工程信息,2005（4）:40-42.